电机基于单片机的电机转速计设计

沈阳理工大学学士学位论文摘 要随着电子技术，特别是随大规模集成电路的产生而出现的微型计算机技术的飞速发展，人类生活发生了根本性的改变。如果说微型计算机的出现使现代科学研究得到了质的飞跃，那么可以毫不夸张地说，单片机技术的出现则是给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。目前，单片机以其体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、高可靠性、高性能价格比、开发较为容易，在工业控制系统、数据采集系统、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领域得到极为广泛的应用，并已走人家庭，从洗衣机、微波炉到音响、汽车，到处都可见到单片机的踪影。因此，单片机技术开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志之一。本课题介绍了一种利用单片机技术实现高精度数字式转速测量系统的方法。这种转速测量系统具有测量准确度高、采样速度快、测量范围宽和测量精度与被测转速无关等优点，具有广阔的应用前景。关键词:转速测量; 单片机; 直射式红外光电传感器AbstractWith the development of electronic technology, especially with a large-scale integrated circuits the emergence of miniature of the rapid development of computer technology, human life has undergone a fundamental change. If the microcomputer that modern science research is a qualitative leap, it is no exaggeration to say, SCM technology is the emergence of modern industry control field to bring a new technological revolution. At present, single chip with its small size, light weight, strong anti-interference ability, is not high to the environment request, high reliability, high performance price ratio, develop relatively easy, in the industrial control system, data acquisition system, intelligent instrumentation, office automation and other fields have a wide range of applications, and have leave home, from the washing machine, microwave oven to audio, car, can see everywhere of SCM. Therefore, SCM technology development and application level has become a national symbol of the level of industrial development. This paper introduces a high precision measurement system of rotation rate method. The measurement system is of high accuracy, fast sampling speed, wide measuring range and precision of the measurement and the measured speed and other advantages, has broad application prospects.Keywords: measurement of rotation rate; single-chip microcomputer; Reflection type infrared photoelectric sensorII沈阳理工大学学士学位论文目 录1 引言1 1.1数字式转速测量系统的发展背景1 1.2本设计课题的目的和意义12 转速测量系统的原理3 2.1转速测量方法3 2.2转速测量原理43 系统方案提出和论证6 3.1 霍尔传感器测量方案6 3.2 光电传感器74 系统硬件设计9 4.1转速信号采集9 4.2直射式红外光电传感器11 4.3电平转换器MAX232CPE介绍12 4.4电位器329614 4.5单片机AT89C51介绍16 4.6最小系统的设计20 4.6.1复位电路20 4.6.2 晶振电路23 4.6.3 最小系统的仿真25 4.7显示部分设计255 系统软件设计30 5.1主程序初始化30 5.1.1 定时器的初始化30 5.1.2 中断允许控制31 5.2程序流程图32致谢35参考文献36附录A系统总电路图37附录B 系统总程序清单38附录C 英文原文43附录D 汉语翻译4750沈阳理工大学学士学位论文1 引言1.1 数字式转速测量系统的发展背景随着微型计算机可靠性提高和价格的下降，用单片机测量电机转速已经日趋普遍。我们知道，欲提高测量精度，必须先测出准确的转速，而原先在可控硅调速电路中采用的测速发电机方式已不能满足要求，必须采用数字测速的方法。目前国内外测量电机转速的方法很多，按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法(如离心式转速表、用电机转矩或者电机电枢电动势计算所得)、同步测速法(如机械式或闪光式频闪测速仪)以及计数测速法。计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，也有采用电磁式(利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等)、电容式(对高频振荡进行幅值调制或频率调制)等，还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号其中应用最广的是光电式，光电式测系统具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优点加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD 器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。而采用光电传感器的电机转速测量系统测量准确度高、采样速度快、测量范围宽和测量精度与被测转速无关等优点，具有广阔的应用前景。1.2 本设计课题的目的和意义测速装置在控制系统中占有非常重要的低位，对测速装置的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间。在工程实践中,经常会遇到各种需要测量转速的场合, 例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中,常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬时转速。要测速，首先要解决是采样问题。在使用模技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。为了能精确地测量转速外,还要保证测量的实时性,要求能测得瞬时转速方法。因此转速的测试具有重要的意义。这次设计内容包含知识全面，对传感器测量发电机转速的不同的方法及原理设计有较多介绍，在测量系统中能学到关于测量转速的传感器采样问题，单片机部分的内容，显示部分等各个模块的通信和联调。全面了解单片机和信号放大的具体内容。进一步锻炼我们在信号采集，处理，显示发面的实际工作能力。2 转速测量系统的原理2.1 转速测量方法转速测量方法可以分为两类，一类是直接法，即直接观测机械或者点击的机械运动，测量特定时间内机械旋转的圈数，从而测出机械运动的转速；另一类是简介法，即测量由机械转动导致其他物理量的变化，从这些物理量的变化与转速的关系来得到转速，同时从测速仪是否与转轴接触又可以分为接触式，非接触式。目前国内外的测速方法有广电码盘测速法、霍尔元件测速法、离心式转速表测速法、测速发电机测速法、漏磁测速法、闪电测速法和震动测速法。以下列举我认为本设计适合的方法：1、光电码盘测速法这是通过测出转速信号的频率或周期来测量电机转速的一种无接触测速法。光电码盘安装在转子端轴上，随着电机的转动，光电码盘也跟着一起转动，如果有一个固定光源照射在码盘上，则可以利用光敏元件来接收光，接收到光的次数就是码盘的编码数。若编码数为1，测量时间为t，测量到的脉冲数为N，则转速n=(N/t*1)*60。2、霍尔元件测速法利用霍尔开关元件测转速。霍尔开关元件内含稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、施密特触发器和输出电路。输出电平与TTL电平兼容，在电机转轴上装一个圆盘，圆盘上装若干对小磁钢，小磁钢越多，分辨率越高，霍尔开关固定在小磁钢附近，当电机转动时，每当一个小磁钢转过霍尔开关，霍尔开关便输出一个脉冲，计算出单位时间的脉冲数，即可确定旋转体的转速。转速是指作圆周运动的物体在单位时间内所转过的圈数,其大小及变化往往意味着机器设备运转的正常与否,因此,转速测量一直是工业领域的一个重要问题。按照不同的理论方法,先后产生过模拟测速法(如离心式转速表) 、同步测速法(如机械式或闪光式频闪测速仪) 以及计数测速法。计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。本文介绍的采用单片机和光电传感器组成的高精度转速测量系统,其转速测量方法采用的就是电子式定时计数法。对转速的测量实际上是对转子旋转引起的周期脉冲信号的频率进行测量。在频率的工程测量中,电子式定时计数测量频率的方法一般有三种：（1）测频率法:在一定时间间隔t 内,计数被测信号的重复变化次数N ,则被测信号的频率fx可表示为 fx =N/t （2.1）（2）测周期法：在被测信号的一个周期内,计数时钟脉冲数m0 ,则被测信号频率fx = fc/ m0 ,其中, fc 为时钟脉冲信号频率。（3）多周期测频法：在被测信号m1 个周期内, 计数时钟脉冲数m2 ,从而得到被测信号频率fx ,则fx 可以表示为fx =m1 fc/m2, m1 由测量准确度确定。电子式定时计数法测量频率时,其测量准确度主要由两项误差来决定:一项是时基误差;另一项是量化1误差。当时基误差小于量化1 误差一个或两个数量级时,这时测量准确度主要由量化1 误差来确定。对于测频率法,测量相对误差为： Er1 =测量误差值/实际测量值100 % =1/N100 %由此可见,被测信号频率越高, N 越大, Er1就越小,所以测频率法适用于高频信号(高转速信号) 的测量。对于测周期法,测量相对误差为： Er2 =测量误差值/实际测量值100 % =1/m0100 %对于给定的时钟脉冲fc , 当被测信号频率越低时,m0 越大, Er2就越小,所以测周期法适用于低频信号(低转速信号) 的测量。对于多周期测频法,测量相对误差为：Er3 =测量误差值/实际测量值100%=1/m2100 %从上式可知,被测脉冲信号周期数m1 越大, m2 就越大,则测量精度就越高。它适用于高、低频信号(高、低转速信号) 的测量。但随着精度和频率的提高, 采样周期将大大延长,并且判断m1 也要延长采样周期,不适合实时测量。根据以上的讨论,考虑到实际应用中需要测量的转速范围很宽,上述的转速测量方法难以满足要求,因此,研究高精度的转速测量方法,以同时适用于高、低转速信号的测量,不仅具有重要的理论意义,也是实际生产中的需要。2.2 转速测量原理一般的转速长期测量系统是预先在轴上安装一个有60 齿的测速齿盘,用变磁阻式或电涡流式传感器获得一转60 倍转速脉冲,再用测频的办法实现转速测量。而临时性转速测量系统,多采用光电传感器,从转轴上预先粘贴的一个标志上获得一转一个转速脉冲,随后利用电子倍频器和测频方法实现转速测量。不论长期或临时转速测量,都可以在微处理器的参与下,通过测量转轴上预留的一转一齿的鉴相信号或光电信号的周期,换算出转轴的频率或转速。即通过速度传感器,将转速信号变为电脉冲,利用微机在单位时间内对脉冲进行计数,再经过软件计算获得转速数据。即：n=N/ (mT) n 转速、单位:转/ 分钟;N 采样时间内所计脉冲个数;T采样时间、单位:分钟;m 每旋转一周所产生的脉冲个数(通常指测速码盘的齿数) 。如果m=60, 那么1 秒钟内脉冲个数N就是转速n, 即:n=N/ (mT) =N/601/60=N 通常m为60。在对转速波动较快系统或要求动态特性好而精度高的转速测控系统中,调节周期一般很短,相应的采样周期需取得很小,使得脉冲当量增高,从而导致整个系统测量精度降低,难以满足测控要求。提高采样速率通常就要减小采样时间T, 而T 的减小会使采到的脉冲数值N 下降,导致脉冲当量(每个脉冲所代表的转速) 增高,从而使得测量精度变得粗糙。通过增加测速码盘的齿数可以提高精度,但是码盘齿数的增加会受到加工工艺的限制,同时会使转速测量脉冲的频率增高,频率的提升又会受到传感器中光电器或磁敏器或磁电器件最高工作频率的限制。凡此种种因素限制了常规智能转速测量方法的使用范围。而采用本文所提出的定时分时双频率采样法,可在保证采样精度的同时,提高采样速率,充分发挥微机智能测速方法的优越性及灵活性。图2.1 系统原理图各部分模块的功能：传感器：用来对信号的采样。放大、整形电路：对传感器送过来的信号进行放大和整形，在送入单片机进行数据的处理转换。单片机：对处理过的信号进行转换成转速的实际值，送入LEDLED显示：用来对所测量到的转速进行显示。3 系统方案提出和论证转速测量的方案选择,一般要考虑传感器的结构、安装以及测速范围与环境条件等方面的适用性;再就是二次仪表的要求,除了显示以外还有控制、通讯和远传方面的要求。本说明书中给出两种转速测量方案，经过我和伙伴查资料、构思和自己的设计，总体电路我们有两套设计方案，部分重要模块也考虑了其它设计方法，经过分析，从实现难度、熟悉程度、器件用量等方面综合考虑，我们才最终选择了一个方案。下面就看一下我们对两套设计方案的简要说明。3.1 霍尔传感器测量方案霍尔传感器是利用霍尔效应进行工作的，其核心元件是根据霍尔效应原理制成的霍尔元件。使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也可以做的较为简单，只要在转轴的圆周上粘上一粒或者两粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断产生脉冲信号输出。如果在圆周上黏上很多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。本文介绍一种泵驱动轴的转速采用霍尔转速传感器测量。霍尔转速传感器的结构原理图如图3.1, 霍尔转速传感器的接线图如图3.2 。传感器的定子上有2 个互相垂直的绕组A 和B, 在绕组的中心线上粘有霍尔片HA 和HB ,转子为永久磁钢,霍尔元件HA 和HB 的激励电机分别与绕组A 和B 相连,它们的霍尔电极串联后作为传感器的输出。图3.1 霍尔转速传感器的结构原理图图3.2 方案霍尔转速传感器的接线图缺点：采用霍尔传感器在信号采样的时候，会出现采样不精确，因为它是靠磁性感应才采集脉冲的，使用时间长了会出现磁性变小，影响脉冲的采样精度。3.2 光电传感器 整个测量系统的组成框图如图3.3所示。从图中可见,转子由一直流调速电机驱动,可实现大转速范围内的无级调速。转速信号由光电传感器拾取,使用时应先在转子上做好光电标记,具体办法可以是:将转子表面擦干净后用黑漆(或黑色胶布) 全部涂黑,再将一块反光材料贴在其上作为光电标记,然后将光电传感器(光电头) 固定在正对光电标记的某一适当距离处。光电头采用低功耗高亮度LED ,光源为高可靠性可见红光,无论黑夜还是白天,或是背景光强有大范围改变都不影响接收效果。光电头包含有前置电路，输出05V的脉冲信号。接到单片机89C51的相应管脚上，通过89C51内部定时/计时器T0、T1及相应的程序设计，组成一个数字式转速测量系统。 图3.3 转速测量系统的组成框图优点：这种方案使用光电转速传感器具有采样精确，采样速度快，范围广的特点。综上所述，方案二使用光电传感器来作为本设计的最佳选择方案。4 系统硬件设计随着超大规模集成电路技术提高，尤其是单片机应用技术以及功能强大，价格低廉的显著特点，是全数字化测量转度系统得一广泛应用。出于单片机在测量转速方面具有体积小、性能强、成本低的特点，越来越受到企业用户的青睐。对测量转速系统的硬件和编程进行研究，设计出一种以单片机为主的转速测量系统，保证了测量精度。4.1 转速信号采集在设计中采用光电传感器采集信号，这种传感器是把旋转轴的转速变为相应频率的脉冲，然后用测量电路测出频率，由频率值就可知道所侧转素值。这种测量方法具有传感器结构简单、可靠、测量精度高的特点。是目前常用的一种测量转速的方法。从光源发出的光通过测速齿盘上的齿槽照射到光电元件上，使光电元件感光。测速齿盘上有30个齿槽，当测速齿槽旋转一周，光敏元件就能感受与开孔数相等次数的光次数。对于被测电机的转速在901700r/min的来说,每转一周产生30个电脉冲信号,因此,传感器输出波形的频率的大小为： 45Hzf850Hz （4.1）测速齿盘装在发射光源(红外线发光二极管)与接收光源的装置(红外线接收二极管)之间,红外线发光二极管(规格IR3401)负责发出光信号,红外线接收三极管(规格3DU12)负责接收发出的光信号,产生电信号,每转过一个齿,光的明暗变化经历了一个正弦周期,即产生了正弦脉冲电信号。图4.1所示为转速传感器电路，因为红外光不可见，用肉眼是无法判断红外线是否工作，故将红外线的输出回路串接了一个普通光电二极管作为判别光源发生回路是否为通路。所选用的红外二极管IR3401，在正向工作电流为20mA时,其导通电压为1.21.5V,所选用的发光二极管的正向压降一般为1.52.0V,电流为1020Ma。R的计算公式为： R=(Ucc U1 U2) / I1 （4.2） 计算得：Rmin=425；Rmin=465。设定中所选阻值为430（RminRRmax）。转速传感器输出电压幅度在01.6mV呈正弦波变化,由此可见,红外线接收三极管的光信号转化为电信号的电压Uo很微弱(一般为mV量级),需要进行信号处理。图4.1 转速传感器电路图光电传感器是应用非常广泛的一种器件，有各种各样的形式，如透射式、反射式等，基本的原理就是当发射管光照射到接收管时，接收管导通，反之关断。以透射式为例，如图4.2所示，当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，开关管关断，否则打开。为此，可以制作一个遮光叶片如图4.3所示，安装在转轴上，当扇叶经过时，产生脉冲信号。当叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。 图4.2 光电传感器的原理图 图4.3 遮光叶片 4.2 直射式红外光电传感器H92B4是由原装进口高发射功率的砷化镓（砷铝镓）红外发射管和高灵敏度的光敏晶体管组成。它是利用被测物对光束的遮挡，由同步回路选择通电路，从而检测物体的有无。直射式红外光电传感器内部电路示意图如图4.4所示，极限参数与光电特性分别如表4-1、表4-2所示。1 Anode阳极2 Cathode阴极3 Collector集电极4 Emitter发射极图4.4 内部电路示意图特点：1.已安装、高可靠性 2.相应速度快，光缝0.8mm 3.槽宽4mm，脚距8.8mm应用：1.点钞机、复印机、打印机 2.仪器仪表、转数测量、碎纸机 3.计数器、CD-ROM、娱乐设备等表4-1 H92B4极限参数项目符号数值单位输入耗散功率P80nW反向电压VR5V正向电流IF50nA输出集电极功耗PC50nW集电极电流IC20nA集-射电压VCEO30V射-集电压VCEO5V工作温度Topr-20+65储存温度Tstg-20+75焊接温度Tsol240项目符号测试条件最小典型最大单位输入正向压降VFIF=10mA-1.31.6V反向电流IRVR=5V-10A波长pI=10mA-940-nm输出集电极暗电流ICEOE=0mW/cm VCE=20V-1A集电极光电流ILVCE=5VIF=10mA0.4-mA饱和压降VCE(sat)IF=10mAIC=0.1mA-0.4V传输特性上升时间TrVCE=5V IC=2mA RL=100O-5-s下降时间Tf-5-Ms表4-2 H92B4光电特性(Ta=25)4.3 电平转换器MAX232CPE介绍MAX232CPE芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5V单电源供电。标准RS-232的电平EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。在TxD和RxD上：逻辑1(MARK)=-3V-15V逻辑0(SPACE)=+315V；在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：信号有效（接通，ON状态，正电压）+3V+15V信号无效（断开，OFF状态，负电压)=-3V-15V TTL输出高电平2.4V，输出低电平=2.0V，输入低电平=0.8V，噪声容限是0.4V。互联的话一定要做电平转换的。max232等芯片就是完成电平转换的。本文采用的是MAX232CPE电平转换器，第一字母表应用级别。C为商用级。第二字母，表示封装，P为PDIP封装，有16管脚。第三字母，表示引脚数，E为16PIN。MAX232CPE用于完成计算机232端口数据电平转换，连接CMOS电路的，换言之，如果离开它，我们就无法用软件监控电源状态了，需要串口返回信号。MAX232CPE完成232电平与TTL电平转换，提供一个本地借口，为调试和维护提供方便。TXD接SX52的RA2脚，RXD接RA3脚，RS-RXD和RS-TXD是RS232电平，为标准串口电平。数据可以从串口输入到单片机SX52，SX52再把数据送到RTL8019AS传出去。用于嵌入式设备上的应用。MAX232CPE管脚如图4.5所示。图4.5 电平转换器MAX232CPE管脚引脚介绍： 第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。4.4 电位器3296电位器3296（如图4.6）广泛应用于仪器仪表、电器、音响设备、通讯、医疗设施、安防产品、UPS电源、工业控制电视机、录像机、MP3、Mp4、VCD机、DVD机、电话机、办公自动化设备和信息通讯设备等领域。电位器的作用是调节电压，包含直流电压与信号电压，以及电流的大小。电位器的电阻体有两个固定端，通过手动调节转轴或滑柄，改变动触点在电阻体上的位置，则改变了动触点与任一个固定端之间的电阻值，从而改变了电压与电流的大小。电位器是一种可调的电子元件，它是由一个电阻体和一个转动或滑动系统组成。当电阻体的两个固定触点之间外加一个电压时，通过转动或滑动系统改变触点在电阻体上的位置，在动触点与固定触点之间便可得到一个与动触点位置成一定关系的电压。它大多是用作分压器，这时电位器是一个四段元件。电位器基本上就是滑动变阻器，有几种样式，一般用在音箱音量开关和激光头功率大小调节电位器是一种可调的电子元件。它是由一个电阻体和一个转动或滑动系统组成。当电阻体的两个固定触点之间外加一个电压时，通过转动或滑动系统改变触点在电阻体上的位置，在动触点与固定触点之间便可得到一个与动触点位置成一定关系的电压。下面是3296电位器的相关分类。图4.6 电位器32961. 按电阻材料分类 线绕电位器：它的电阻体是用电阻丝绕在涂有绝缘材料的金属或非金属板上制成的。它又可分为通用、精密、大功率、预调试线绕电位器。 非线绕电位器：可分为实心电位器、膜式电位器 实心电位器：它又可分为有机合成，无机合成导电塑料 膜式电位器：它又可分为碳膜电位器，金属膜电位器2. 按调节方式分类：旋转式电位器，推拉式电位器，直滑式电位器3. 按电阻值变化规律分类：直线式电位器，指数式电位器，对数式电位器4. 按结构特点分类：单圈电位器，多圈电位器，双联电位器，多联电位器，抽 头式电位器，开关式电位器，锁紧式电位器，非锁紧式电位器，贴片式电位器。5. 按驱动方式不同分类：手动调节电位器，电动调节电位器6. 其他分类方式：普通电位器，磁敏电位器，光敏电位器 ，电子电位器，步进电位器。标准包装：50/管类别：电位器系列：3296密封式电阻（欧姆）范围：10欧姆2兆欧姆功率（瓦特）：0.5W，1/2W公差：10%转数：25调节类型：顶部调整安装类型：通孔电阻材料：金属陶瓷封装外壳：方形 - 0.375 L x 0.190 W x 0.395 H (9.53mm x 4.83mm x 10.03mm)封装：管装4.5 单片机AT89C51介绍AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。图4.7是常用的一种单片机，型号为AT89C51，它将计算机的功能都集成到这个芯片内部去了，就这么一个小小的芯片就能构成一台小型的电脑，因此叫做单片机。图4.7 AT89C51芯片它有40个管脚，分成两排，每一排各有20个脚，其中左下角标有箭头的为第1脚，然后按逆时针方向依次为第2脚、第3脚第40脚。在40个管脚中，其中有32个脚可用于各种控制，比如控制小灯的亮与灭、控制电机的正转与反转、控制电梯的升与降等，这32个脚叫做单片机的“端口”，在单片机技术中，每个端口都有一个特定的名字，比如第一脚的那个端口叫做“P1.0”。AT89C51单片机的功能：1、主要特性： 与MCS51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 128*8位内部RAM 32可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 2、管脚说明（图4.8）：图4.8 AT89C51管脚分布VCC：供电电压，GND：接地。 P0：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。P3口管脚备选功能：P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3、振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。4、芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。4.6 最小系统的设计4.6.1 复位电路MCS-51单片机复位电路是指单片机的初始化操作。单片机启运运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。图4.9复位电路复位功能： 复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期的S5P2，由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位、按钮复位和按钮脉冲复位。 图4.10 上电复位电路 图4.11 按键电平复位电路图4.12 按键脉冲复位电路上电复位如图4.10所示，它是在VCC与VSS管脚之间接入RC电路。上电瞬间RST端电位与VCC相同，随着电容充电电流的减小，RST端的电位逐渐下降。只要VCC的上升时间不超过1ms，振荡器建立时间不超过10ms，按图中的时间常数（C1=22F，R1=1K），上电复位电路就能保证在上电开机时完成复位操作。上电复位所需要的最短时间是振荡器建立时间加上2个机器周期。在这段时间内，RST端的电平应维持高于施密特触发器的下阀值。图4.11所示为一种上电与按键复位电路，在实际应用系统中，有些外围芯片也需要复位电路，如果这些复位电平与单片机的要求一致，则可以与相连。为了防止干扰窜入复位端，引起内部某些寄存器错误复位，可在RST管脚上接一个去耦电容。在应用系统中，为了保证复位电路可靠地工作，常将RC电路在接施密特电路后，再接入单片机复位端和外围电路复位端，如图4.12所示。系统有多个复位端时，能保证可靠地同步复位。单片机复位后的状态:： 单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。单片机冷启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容，21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，见表4.3。值得指出的是，记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态，对于了解单片机的初态，减少应用程序中的初始化部分是十分必要的。 RST复位输入，当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个始终周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指钟写入07H，其他专用寄存器被清零。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态。 说明：表4.3中符号*为随机状态：表4.3 寄存器复位后状态表特殊功能寄存器初始态特殊功能寄存器初始态ACC00HB00HPSW00HSP07HDPH00HTH000HDPL00HTL000HIP*0000BTH100HIE0xx0000BTL100HTMOD00HTCON00HSCON*BSBUF00HP0-P3BPCON0*BPSW00H，表明选寄存器0组为工作寄存器组； SP07H，表明堆栈指针指向片内RAM 07H字节单元，根据堆栈操作的先加后压法则，第一个被压入的内容写入到08H单元中；Po-P3FFH，表明已向各端口线写入1，此时，各端口既可用于输入又可用于输出 。IP00000B，表明各个中断源处于低优先级； IE000000B，表明各个中断均被关断； 系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。51单片机的复位是由RESET引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后，51单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下等待，直到RESET引脚转为低电平后，才检查EA引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。51单片机在系统复位时，将其内部的一些重要寄存器设置为特定的值，至于内部RAM内部的数据则不变。4.6.2 晶振电路晶振（图4.13）是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。图4.13 石英晶振晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。石英晶体振荡器分非温度补偿式晶体振荡器、温度补偿晶体振荡器（TCXO）、电压控制晶体振荡器（VCXO）、恒温控制式晶体振荡器（OCXO）和数字化/p补偿式晶体振荡器（DCXO/MCXO）等几种类型。其中，无温度补偿式晶体振荡器是最简单的一种，在日本工业标准(JIS)中，称其为标准封装晶体振荡器（SPXO）。石英晶体，有天然的也有人造的，是一种重要的压电晶体材料。石英晶体本身并非振荡器，它只有借 助于有源激励和无源电抗网络方可产生振荡。SPXO主要是由品质因数（Q）很高的晶体谐振器（即晶体振子）与反馈式振荡电路组成的。石英晶体振子是振荡器中的重要元件，晶体的频率（基频或n次谐波频率）及其温度特性在很大程度上取决于其切割取向。只要在晶体振子板极上施加交变电压，就会使晶片产生机械变形振动，此现象即所谓逆压电效应。当外加电压频率等于晶体谐振器的固有频率时，就会发生压电谐振，从而导致机械变形的振幅突然增大。AT89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器（简称晶振）和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。电路中的电容C1、C2典型值通常选择30pF，对外接电容虽然没有严格要求，但电容的大小会影响振荡频率的高低、振荡器稳定性和起振的快速性。晶振的频率越高，则系统的时钟频率也越高，单片机的运行速度也越快，因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为30F。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。晶体振荡电路如图4.14 图4.15： 图4.14 晶振电路仿真图图4.15 晶振电路电路图4.6.3 最小系统的仿真最小系统的仿真图4.16图4.16 最小系统的仿真附最小系统仿真程序如下：#include sbit LED=P10; /定义LED接P1.0口/void Delay () /延时函数/unsign